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電子元件

讓太陽能逆變器比太陽更可靠

  2019年08月06日  

  在炎炎夏日,我通常和大多數人一樣會躲在空調房裏避暑。再之後,隨著天氣變得涼爽起來,我會打開窗戶吹著自然風,在那時我就會收到夏季的電費賬單,然後我就會問自己空調帶來的短暫舒適感是否真的值得。

  空調只能在對抗炎熱天氣的過程中取得得不償失的勝利。作爲一名工程師,我認爲這是一個需要解決的問題。我的解決方案很簡單:如果你無法徹底取代它們,那就好好利用它的光與熱。因此,與其消耗大量昂貴的公用電,我們倒不如用屋頂上的太陽能電池板爲空調提供動力。幸運的是,我並不是第一個想到這一點的人,而且太陽能的成本幾乎與傳統能源持平,每個人都能享受太陽能帶來的好處。

  雖然人們將大部分的關注點都投向了光伏面板,但太陽能發電生態系統的其他部分也不容忽視,比如,電力電子技術。但這也只是一個關鍵方面而已。光伏面板産生的是直流電壓,但電力傳輸和配電系統卻處于交流電狀態,因此需要電源逆變器。

  爲實現太陽能發電系統的成本目標,美國能源部提出了以下要求作爲“Sunshot Initiative”的一部分:

  · 轉換效率大于98%

  · 使用壽命大于25年

  · 功率密度>100W/in3

  · 系統成本<$ 0.10/W(公用設施); <$ 0.125/W(商業);<$ 0.15/w(住宅)(包括電力電子設備的壽命周期成本,包括其使用壽命內的初始資本成本和運維(O&M)成本)

  “Sunshot Initiative”的目標是非常雄偉的,而要滿足這些目標不僅需要核心的優化,還需要仔細考慮各個部分。精心設計可能導致對隔​​離邊界帶來巨大影響。逆變器在低壓直流和危險的高壓交流之間的連接需要電流隔離,這可能導致電源場效應晶體管(FET)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)位于産生柵極信號的控制器隔離柵的相反側。增強型隔離柵極驅動器(如德州儀器的UCC21520)非常不錯,因爲它們結合了多種功能,能夠將信號傳遞到隔離邊界,並從數個設備到一個設備將邏輯門信號轉換爲實際的柵極驅動。增強型隔離柵極驅動器是串聯逆變器的理想解決方案,其最大輸出功率範圍爲500W至10kW。

  UCC21520通過在高側和低側之間實現傳播延遲和延遲匹配的領先性能,改善了這些集成優勢。因爲它更快地導通且減少了所需的死區時間,即較高損耗的體二極管導通時的死區時間,所以減少了與開關相關的損耗。這些參數也較少依賴于VDD,因此您可以放寬系統其余部分的電壓容差設計余量,如圖1中的基准數據所示。圖1還強調了UCC21520在VDD上的線性性能比競品的性能要高得多。

  圖1:德州儀器(TI)的UCC21520傳播上升/下降延遲相較于VDD和競品而言

  微逆變器是一種快速發展的架構,可將單個PV模塊的電能轉換爲交流電網,通常設計用于180-300W範圍的最大輸出功率。通過分配反轉過程,太陽能電池陣列可適用更複雜的屋頂,且能夠安裝更小的陣列,這些陣列通常不會達到串逆變器的輸入電壓。德州儀器的基本隔離柵極驅動器UCC21220爲基本隔離足夠的太陽能應用提供了替代方案。它采用第二代電容隔離技術,通過縮小芯片尺寸來降低成本,不僅有助于降低PCB空間和系統成本,還可保持傳播延遲和延遲匹配的領先性能。

  另一個需要穿過隔離邊界的器件是輔助電源。不管AC公用設施/負載或光伏面板的狀態如何,要確保太陽能逆變器能夠“智能”且持續地運行,都需要隔離電源爲逆變器提供偏置電源。由于這個步驟需要跨越隔離邊界,因此它也需要跨越它的組件。初級側調節(PSR),其輸出由相對于初級側控制器而非光耦合器接地的輔助繞組調節,是降低元件和成本的好方法。PSR還具有增加使用壽命的額外好處,因爲它消除了浪湧電壓期間難處理的故障點。初級側反激式控制器,如UCC28700,通過采用最少的外部電路實現高級算法,最大限度地提高了控制方案的性能和效率。UCC28910 通過將700V功率FET和控制器集成到單個設備中,擴展了這些優勢,進一步減小了偏置電源的大小。

  德州儀器的解決方案可幫助制造經濟實惠且性能可靠的太陽能,使其足以在炎熱的天氣裏爲空調提供動力。

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